CN110600973B - 基于非线性光纤有源光反馈产生宽带混沌激光装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于非线性光纤有源光反馈产生宽带混沌激光的装置及方法，其装置包括：半导体激光器、光环形器、1×2光纤耦合器、光放大器、高非线性光纤、衰减控制器、偏振控制器。半导体激光器输出连续激光通过光环形器、1×2光纤耦合器进入光放大器，光放大器将光放大后进入高非线性光纤，使其产生非线性效应，接着经过衰减控制器和偏振控制器，最终返回半导体激光器中形成有源光反馈，在光纤环路中不断放大、循环震荡，结合非线性效应，最终产生带宽超过50GHz、平坦度小于3.5dB的宽带混沌激光。本发明适用于通信、传感、信息安全等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光反馈混沌激光产生领域，具体是一种基于非线性光纤有源光反馈产生宽带混沌激光的装置及方法，适用于通信、传感、信息安全等领域。
背景技术
混沌激光因其具有类噪声、宽频谱的特性，广泛应用于混沌保密通信、混沌激光雷达、高速随机数产生、分布式光纤传感等领域。目前，利用半导体激光器产生混沌激光的方式包括光反馈、光注入和光电反馈。
光反馈由于其结构简单、更容易产生混沌而受到研究者们的广泛关注。然而，由于激光器的弛豫振荡占据了混沌激光的主要能量，限制了混沌激光的有效带宽和低频成分能量，使得混沌激光带宽窄、频谱不平坦，对其实际应用十分不利，比如会降低混沌保密通信的传输速率和随机数生成速率，影响分布式光纤传感的分辨率等。
针对以上问题，研究者们提出了多种方法用于增强混沌激光的带宽，2003年，日本琦玉大学Uchida等人将外部光反馈产生的混沌激光注入另一个半导体激光器，此时驰豫振荡频率仅为6.4GHz的半导体激光器产生混沌激光的带宽提升至22GHz（Optics Express,2010,18(6):5512-24）；2008年，太原理工大学王安帮等人提出将连续光注入外腔光反馈的半导体激光器，通过控制频率失谐量和光注入强度，混沌信号的带宽从6.2GHz增强至16.8GHz（IEEE Photonics Technology Letters,2008,20(19):1633-1635）；2011年，张明江等人通过双波长外光注入外腔光反馈的Fabry–Pérot激光器，得到80%带宽为32.3GHz的宽带混沌激光（IEEE Photonics Technology Letters,2011,23(24):1872-1874），但以上方案实验装置复杂，且产生的混沌激光带宽有限。
此外，研究者们发现，利用光纤环形振荡器可产生频谱平坦的宽带混沌激光，2012年，太原理工大学提出了一种混沌激光信号频谱展宽装置，将混沌激光注入环形振荡器从而产生宽带平坦的混沌激光信号，用于增强带宽（一种混沌激光信号频谱展宽装置及其方法，专利号ZL201210000656.4），2013年，提出通过混沌光注入到带有光放大器和可调谐滤波器的光纤环路中，得到带宽大于26.5 GHz、平坦度为±1.5dB的宽带混沌激光（AppliedPhysics Letters, 2013,102(3):031112）；2016年，西南大学提出将混沌信号注入非线性光纤环形镜中，利用其产生的非线性相移将带宽增强至41.2GHz（Proceedings of SPIE,2016,10017,100170V）；但上述这些方案均是对产生的混沌激光进行后处理，使其带宽增强和频谱整形。
2017年，中科院半导体研究所赵玲娟等人将放大反馈半导体激光器（AFL）芯片外加光纤环扰动产生带宽大于50GHz、平坦度为±3.6dB的宽带混沌激光（ScientificReports,2017,8:45900），但AFL芯片工艺复杂，造价昂贵。
因此，本发明提出一种基于非线性光纤有源光反馈产生宽带混沌激光的装置及方法。
发明内容
本发明目的是要解决现有光反馈结构所产生的混沌激光带宽窄、频谱不平坦的问题，本发明将半导体激光器输出激光经光放大器放大后，通过光纤环路形成有源光反馈，结合反馈路中的高非线性光纤所产生的非线性效应，最终产生带宽超过50GHz，平坦度小于3.5dB的宽带混沌激光。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于非线性光纤有源光反馈产生宽带混沌激光的装置，包括半导体激光器、光环形器、1×2光纤耦合器、光放大器、高非线性光纤、衰减控制器、偏振控制器。
半导体激光器的输出端与光环形器的第一端口连接；光环形器的第二端口与1×2光纤耦合器输入端连接；1×2光纤耦合器一个输出端用于输出，另一个输出端与光放大器的输入端连接；光放大器的输出端与高非线性光纤的输入端连接；高非线性光纤的输出端与衰减控制器的输入端连接；衰减控制器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与光环形器第三个端口连接。
基于上述装置，一种基于非线性光纤有源光反馈的宽带混沌激光具体产生过程如下：半导体激光器输出连续激光通过光环形器进入1×2光纤耦合器，1×2光纤耦合器将光束分为两路，一路用于输出，另一路进入光放大器，光放大器将激光放大后进入高非线性光纤，使其产生非线性效应，接着经过衰减控制器和偏振控制器，利用衰减控制器精确控制反馈强度，利用偏振控制器控制偏振状态，最终经过光环形器返回半导体激光器中形成有源光反馈，从半导体激光器输出的激光在光纤环路中不断放大、循环震荡，结合非线性效应，最终产生宽带混沌激光。
本发明所述的基于非线性光纤有源光反馈产生宽带混沌激光的装置及方法，与现有的产生宽带混沌激光的技术方案相比，具有以下优点和积极效果：
1、与传统无源光反馈结构相比，在反馈路中接入光放大器，构成有源光反馈，可以使得反馈强度增大到激光器自身输出的数倍，随着反馈强度的增大，混沌激光的频谱得到展宽。
2、在光放大器后接入高非线性光纤，利用了放大后的激光通过高非线性光纤产生的非线性效应，使得频谱进一步展宽。
3、采用本发明提出的装置及方法，可以产生带宽超过50GHz，平坦度小于3.5dB的宽带混沌激光，采用传统方法难以实现上述指标。
本发明设计合理，具有很好的推广应用价值。
附图说明
图1表示本发明装置的结构示意图。
图2表示本发明所产生的带宽超过50GHz、平坦度小于3.5dB的宽带混沌激光频谱图。
图中：1-半导体激光器，2-光环形器，3-1×2光纤耦合器，4-光放大器，5-高非线性光纤，6-衰减控制器，7-偏振控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种基于非线性光纤有源光反馈产生宽带混沌激光的装置，如图1所示，包括半导体激光器1、光环形器2、1×2光纤耦合器3、光放大器4、高非线性光纤5、衰减控制器6、偏振控制器7。
具体的，半导体激光器1的输出端与光环形器2的第一端口连接；光环形器2的第二端口与1×2光纤耦合器3输入端连接；1×2光纤耦合器3一个输出端用于激光输出、另一个输出端与光放大器4的输入端连接；光放大器4的输出端与高非线性光纤5的输入端连接；高非线性光纤5的输出端与衰减控制器6的输入端连接；衰减控制器6的输出端与偏振控制器7的输入端连接，偏振控制器7的输出端与光环形器2第三个端口连接。
具体实施时，半导体激光器1输出连续激光经过光环形器2进入1×2光纤耦合器3；1×2光纤耦合器3将光束分为两路，一路用于输出激光，另一路进入光放大器4；光放大器4将激光放大后进入高非线性光纤5，这里的高非线性光纤的非线性系数大于10W-1km-1，长度为100m，进入高非线性光纤5的光功率越大，其产生的非线性效应越强；经过高非线性光纤5的激光光束进入衰减控制器6，利用衰减控制器6精确控制反馈强度，使其反馈强度为激光器自身输出的4~5倍，强反馈可以使得输出激光的频谱展宽，接着进入偏振控制器7，用于控制偏振状态，最终经过光环形器2返回半导体激光器1中形成有源光反馈，半导体激光器输出激光在光纤环路中不断放大、循环震荡，结合高非线性光纤产生的非线性效应，最终产生宽带混沌激光。
如图2所示，本发明所述的基于非线性光纤有源光反馈产生宽带混沌激光的方法，可以产生带宽超过50GHz、平坦度小于3.5dB的宽带混沌激光。
上述装置中，光放大器可以是掺铒光纤放大器、半导体光放大器或者其他带有光放大功能的器件。
需要说明的是，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，尽管参照本发明实施例进行了详细的说明，本技术领域的普通技术人员也应当理解，在本发明的实质范围内所做的变化，改性，添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于非线性光纤有源光反馈产生宽带混沌激光装置，其特征在于：包括半导体激光器（1）、光环形器（2）、1×2光纤耦合器（3）、光放大器（4）、高非线性光纤（5）、衰减控制器（6）、偏振控制器（7）；
其中，半导体激光器（1）的输出端与光环形器（2）的第一端口连接；光环形器（2）的第二端口与1×2光纤耦合器（3）的输入端连接；1×2光纤耦合器（3）一个输出端用于激光输出、另一个输出端与光放大器（4）的输入端连接；光放大器（4）的输出端与高非线性光纤（5）的输入端连接；高非线性光纤（5）的输出端与衰减控制器（6）的输入端连接；衰减控制器（6）的输出端与偏振控制器（7）的输入端连接，偏振控制器（7）的输出端与光环形器（2）第三个端口连接。
2.根据权利要求1所述的基于非线性光纤有源光反馈产生宽带混沌激光装置，其特征在于：高非线性光纤（5）的非线性系数大于10W-1km-1，长度为100m。
3.一种基于非线性光纤有源光反馈产生宽带混沌激光的方法，其特征在于：是采用如下步骤实现的：半导体激光器（1）输出连续激光通过光环形器（2）进入1×2光纤耦合器（3），1×2光纤耦合器（3）将光束分为两路，一路用于输出，另一路进入光放大器（4），光放大器（4）将激光放大后进入高非线性光纤（5），经过高非线性光纤（5）的激光光束进入衰减控制器（6），利用衰减控制器（6）精确控制反馈强度，使其反馈强度为激光器自身输出的4~5倍，接着进入偏振控制器（7），用于控制偏振状态，最终经过光环形器（2）返回半导体激光器（1）中形成有源光反馈，结合高非线性光纤产生的非线性效应，最终产生宽带混沌激光。
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